Новая энергетика

Водород сделает в энергетике переворот

Новая энергетика - Водородная энергетика

Почему от традиционной энергетики надо как можно скорее отказываться, ведущий научный сотрудник лаборатории прикладной электродинамики Института электрофизики УрО РАН кандидат технических наук Александр Липилин может объяснять часами. Куда ни глянь — потери: при преобразовании химической энергии топлива сперва в тепловую, механическую и только потом в электрическую, при трансформировании, при преодолении сопротивления линий электропередачи… Итог — низкий КПД и неэкологичность. Другое дело водород.

Водородная энергетика обеспечит высокую энергоэффективность

Водородная (распределённая) энергетика — это, прежде всего, высокая энергоэффективность. Главный её плюс в неисчерпаемости сырья. В российские дома электричество приходит, как правило, благодаря использованию каменного угля, нефти и природного газа. Наша страна щедро тратит на неэффективное по сути производство электроэнергии огромное количество ресурсов. Бережливая Европа давно уже начала использовать неисчерпаемую энергию Солнца, ветра, воды… Водород можно получать из воды или любого другого углеводорода. При сжигании водорода в двигателе авто образуется вода. Получается бесконечное сырьё. Загрязнение среды не происходит.

– А ещё потребитель сжигает столько топлива, сколько электроэнергии ему надо. Это экономно, – говорит Александр Липилин.

В доме энергия водорода будет непосредственно преобразовываться в генераторе электроэнергии на твёрдооксидных топливных элементах (ТОТЭ). Он выглядит, как большая батарейка. В Институте электрофизики УрО РАН есть модель высотой где-то в полметра и весом в 5-7 килограммов. Газ идёт к ней по трубопроводу и прямо в генераторе преобразуется в электроэнергию. Сделать процесс ещё более эффективным помогает использование нанотехнологий и наноматериалов.

Сегодня по дорогам США ездит много тягачей с водородом в дизельном сердце. Германия спустила на воду водородную подводную лодку. В настоящее время компания «Боинг» разрабатывает вспомогательную энергосистему на ТОТЭ для Боинг-787, которая в наземном состоянии будет экономить 70 процентов керосина, а в полёте 40 процентов, а к 2017 году будет готова маршевая энергосистема нового типа самолётов. В Швейцарии есть дома, которые питаются электроэнергией от «батарейки» на водороде. А в России? В России есть множество разработок, опытные модели. Но нет их производства.

Всё это появилось не сегодня и не вчера. Впервые энергию водорода для транспорта стали получать в блокадном Ленинграде. С тех пор было проделано огромное количество исследований. Только на Урале распределённой энергетикой занимаются несколько институтов УрО РАН. Александр Липилин, оглядываясь назад, вспоминает, что у истоков дела ТОТЭ и водородной энергетики на Урале стояли выдающиеся учёные:

– В первую очередь это член-корреспондент РАН Сергей Васильевич Карпачёв. Благодаря его предвидению, научному авторитету, в Свердловске через двенадцать лет после войны был создан Институт электрохимии. Уральская школа твёрдых электролитов была сформирована благодаря основополагающим работам Василия Николаевича Чеботина и Михаила Васильевича Перфильева. Их учебники до сих пор во всём мире лежат в основе образования «твёрдоэлектролитчиков».

Нанотехнологии на повышение энергоэффективности

С 80-х годов разработку энергосистем на основе ТОТЭ проводит Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Забабахина в Снежинске. В 2004 году к разработке ТОТЭ подключился Институт электрофизики УрО РАН и вклад каждого института, каждой лаборатории, каждого учёного важен в общем деле.

В 1989 году под руководством Александра Липилина творческий коллектив впервые в нашей стране разработал и испытал электрохимический генератор на ТОТЭ мощностью один киловатт на природном газе. По сути, это прототип существующих сегодня генераторов электроэнергии для распределённой и водородной энергетики.

Движение к одной цели — водородной энергетике — привело к усовершенствованию бесчисленного количества технологий. Так, в институте научились получать разными методами нанопорошки, нужные для повышения эффективности энергосистемы на ТОТЭ.

За большими научными исследованиями и сложными терминами скрываются осязаемые вещи. Почти в каждой лаборатории можно на полочке увидеть ряд пластиковых бутылок с белым порошком. По весу, как пушинка. А внутри не песчинки – песчиночки! Это нанопорошок твёрдого электролита ТОТЭ, который получили в этой же комнате.

– Наше нано — это не просто дань моде, — говорит Лапилин. — Если наносостояние не приводит к получению новых свойств материала, это бестолковое нано. Часто так и бывает. Но не у нас.

Далее нанопорошок прессуют в форме, и получается плоский пленарный или трубчатый тонкоплёночный твёрдый электролит — основная часть ТОТЭ. Берут нанопорошок из алюминия — получается, например, медаль, которая по прочности сравнима со сталью. Прессование здесь магнитно-импульсное. Институтская разработка.

– Машина работает, как в сказке про Кощея Бессмертного, – популярно объясняет схему младший научный сотрудник института Сергей Заяц. – Порошок – в пресс-форме, пресс-форма – в банке, банка – в печке. Один импульс – получилась медаль. За 150 микросекунд. Это быстрее, чем удар молотком.

В помещении похожем на конвейер льют тонкие плёнки из нанопорошков. Именно льют. Потом они сушатся. Александр Липилин открывает шкаф и показывает такую плёнку:

– Видите, какая тоненькая? А сейчас измерим на приборе толщину… Восемь микрон.

Здесь же на подоконнике стоит та самая «батарейка» — модуль электрогенератора на основе ТОТЭ. В каждой из обойдённых лабораторий делается та или иная его составная часть.

Преобразование химической энергии в электрическую открывает множество возможностей. Кроме того, уральские учёные научились получать чистый медицинский кислород, а ещё могут снабдить солдата топливными элементами, электроэнергии которых хватит на несколько дней пути. Модели есть. Но почему энергосистема на основе ТОТЭ в единственном экземпляре стоит на подоконнике, а не среди своих копий на прилавке? С другими приборами — то же самое. Загвоздка в том, что готовой производственной базы сегодня в России не существует. Нужно новое наукоёмкое производство, а значит, волевое решение государства: отказаться от старой централизованной энергетики. Производство создать возможно, и даже не с нуля.

– Есть станки, технологии, которые можно и необходимо будет объединить вместе, – говорит Александр Липилин. – Нужен твёрдый электролит – есть керамическое производство. Требуется добавить только нанокомпоненты. Нужны электроды с электронной проводимостью для устройств – поможет порошковая металлургия. Производство не только может быть создано, его обязательно надо создать и чем быстрее, тем лучше для государства и для нас с вами.

Учёные Снежинска в течение года планируют запустить опытное производство. Институт электрофизики УрО РАН всемерно поможет этому. Сотрудники института надеются на поддержку государственной корпорации «Роснанотех», которая полтора года назад взяла на рассмотрение заявку наших учёных как раз по этому проекту. Положительное решение и финансирование ждут до сих пор. В декабре уральские учёные успешно выступили со своим проектом по энергоэффективности на конкурсе Межрегиональной сетевой компании — Урал. Проект был передан в Министерство энергетики РФ. Учёные надеются на финансирование, учёные надеются на господдержку. И не отчаиваются. Говорят, мол, наука – бесконечный процесс познания. Поэтому продолжают исследования